DE2448015A1 - Bidirektionale thyristortriode mit gold-diffundierter grenzschicht - Google Patents

Bidirektionale thyristortriode mit gold-diffundierter grenzschicht

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DE2448015A1 DE19742448015 DE2448015A DE2448015A1 DE 2448015 A1 DE2448015 A1 DE 2448015A1 DE 19742448015 DE19742448015 DE 19742448015 DE 2448015 A DE2448015 A DE 2448015A DE 2448015 A1 DE2448015 A1 DE 2448015A1
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Description

Bidirektionale Thyristortriode mit gold-diffundierter Grenzschicht
Die vorliegende Erfindung betrifft bidirektionale Thyristortrioden - auch Triac genannt - mit verbesserten Kommutatlonsei genschaften.
Seit ihrer Einführung hat die bidirektionale Thyristortriode eine steigende Popularität bei den Gestaltern von Stromkreisen erfahren. Die Gründe hierfür sind augenscheinlich; da eine einzelne Komponente in vielen Stromkreisen mehrere Komponenten ersetzen kann, bringt das Triac Verbesserungen hinsichtlich des Gewichtes, der Größe und der Kosten mit sich. Es wird Jedoch noch
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versucht, die Leistungsfähigkeit des Triac hinsichtlich einiger Eigenschaften zu verbessern. Man betrachte.ζ. B. den üblichen
zwo i
Stromkreis, in welchem ein Triac/entgegengesetzt geschaltete parallele gesteuerte Siliziumgleichrichter (nachfolgend kurz SCR genannt)-- ersetzt, um selektiv Wechselstrom passieren zu lassen. Setzt man die SCR ein, dann hat jedes Element einen ganzen HaIbcyclus mit in Sperrichtung gepolter Vorspannung, um abzuschalten. Daher ist ein falsches Zünden, bedingt durch die Anwesenheit beweglicher Träger bei erneutem Anlegen von Durchlaßspannung, kaum ein Problem. Betrachtet man jedoch den entsprechenden Stromkreis mit einem Triac, dann ist ein Bereich des Triacpellets während eines Halbcyclus leitend und ein anderer Bereich ist während des folgenden Halbcyclus leitend (s. z. B. das SCR-Manual der General Electric Company, 5. Auflage von 1972 oder die US-PS 3 275 909). Demgemäß 1st bei Wechselstromanwendung ein Teil des Triac immer in leitendem Zustand, ausgenommen während der kurzen Perioden bei den Überschneidungen (crossovers) des Wechselstrom-Eingangssignals. Wenn mobile Ladungsträger vom leitenden Teil in den nicht-leitenden Teil hinüberfließen, dann kann der nicht-leitende Teil durch diese Träger unbeabsichtigt auf die Umkehrung der angelegten Spannung gesteuert werden. Dieser Effekt hat die Frequenzen begrenzt, bei denen Triacs eingesetzt werden können.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Triac zu schaffen, das dem Hindberfließen von Trägern von dem leitenden Bereich in den nicht-leitenden Bereich widersteht. Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein bidirektionales Thyristortriodenpellet geschaffen, das folgende Bestandteile umfaßt: einen Körper aus halbleitendem Ma terial, der zwei Hauptoberflächen aufweist und in den selektiv Verunreinigungen eindiffundiert sind, um einen ersten und zweiten leitenden Bereich zu bilden und der Mittel für die Anregung der Trägerrekombination enthält, die eine Hllfsverunreinlgung umfassen, die an der Grenzfläche zwischen den ersten und zweiten leitenden Bereich in den Körper eindiffundiert ist.
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durch
Die vorliegende Erfindung ist also/ein bidirektionales Thyristortriodenpellet charakterisiert, das ein Körper aus halbleitendem Material ist, mit zwei Hauptoberflächen und das einen ersten leitenden Bereich zum Leiten von Strom in einer ersten Richtung und einen zweiten leitenden Bereich zum Leiten von Strom in einer zweiten entgegengesetzten Richtung umfaßt, sowie einen Steuer-(im Englischen "gate" genannt) bereich zum Aufnehmen von Steuersignalen . Eine Hilfsverunreinigung, welche die Trägerrekombination anregt, ist in den Körper aus halbleitendem Material an den Grenzen zwischen diesen drei Bereichen eindiffundiert, um die oben erwähnte Drift der Träger zwischen den Bereichen zu verhindern. Diese Hilfsverunreinigung kann, wie im folgenden näher erläutert, Gold sein und sie wird vorzugsweise in die inneren Schichten ein- , diffundiert, in denen die Sperrschicht gebildet wird. Es wird so ein Triac gebildet, das bei höheren Wechselstrom-Frequenzen betrieben werden kann, da ein unbeabsichtigtes Ansteuern auf Grund eines überfließens von Trägern verhindert ist. Da Gold die leitenden Bereiche nicht bedeckt, sondern selektiv eindiffundiert ist, wird klar, daß Eigenschaften, wie der Abfall der leitenden Spannung, nicht merklich beeinflußt werden.
Zum Herstellen der Pellets werden in eine Scheibe aus halbleitendem Material mit zwei Hauptoberflächen selektiv Verunreinigungen in üblicher Weise eindiffundiert und danach die Scheibe in eine Vielzahl von Teilstücken unterteilt, von denen jede ein Triacpellet bildet. Jedes Pellet weist natürlich den ersten und den zweiten leitenden Bereich sowie den Steuerbereich auf. Eine der Hauptoberflächen der Scheibe wird maskiert, wobei lediglich die Grenzen zwischen den verschiedenen Bereichen in jedem Pellet freigelassen werden. Ein bevorzugtes Verfahren zum Maskieren, das unten näher erläutert ist, schließt das thermische Aufwachsen einer Oxydschicht auf der Scheibe ein und das nachfolgende Ätzen von Öffnungen über den Grenzen. Die Hilfsverunreinigung, wie z. B. Gold, wird dann durch die Öffnungen eindiffundiert. Ein bevorzugtes Diffusionsverfahren, das unten näher beschrieben Wird,
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schließt das Aufdampfen von Gold auf das Oxyd ein, und das nachfolgende Erhitzen, um die Verunreinigung bis zu einer Tiefe in die Scheibe einzudlffundieren, die mindestens ausreicht, das Gold in die inneren Schichten einzubringen. Aus der vorstehenden kurzen Erläuterung ergibt sich, daß das Herstellungsverfahren für die verbesserten Triacpellets mit einer üblichen Ausrüstung ausgeführt werden kann.
Nach der Diffusion werden die Scheiben zwischen den Teilstücken mit Rillen versehen, und dann entlang den Rillen in einzelne Pellets aufgeteilt. Die öffnungen in dem Oxyd, die während der Golddiffusion gebraucht wurden, sind bei geringer Temperatur mit einem Material, wie einem Lack oder Wachs maskiert worden und es werden Fotoresist- bzw. Fotowiderstandstechniken benutzt, um die Positionen der Rillen zu lokalisieren. Ein Vorteil des Verfahrens ist der, daß die mit Rillen zu versehenden Bereiche und die Bereiche unmittelbar darum herum noch mit Oxyd bedeckt sind. Auf diese Weise sind die Rillen gut definiert, und sie können genau lokalisiert werden, da sie durch die öffnungen in dem Oxyd lokalisiert sind. Dann wird ein gleichzeitiges Ätzen der Rillen auf Jeder Seite durchgeführt.
Wenn es gewünscht ist, können die Rillen mit Glas passlviert werden. Ein bevorzugtes Verfahren zum Passivieren mit Glas schließt das Aufbringen von Glas" in Teilchenform in den Rillen ein, und das anschließende Erhitzen, um das Glas zu schmelzen. Ein Träger, wie Alkohol, kann zusammen mit dem teilchenförmigen Glas eingesetzt werden. Zum Schmelzen des Glases reicht e"ine Temperatur von etwa 70O0C aus. Dies ist von Bedeutung, da das Verfahren zum Eindiffundieren der HiIfsverunreinigung bei etwa 800 bis 900°C stattfindet. Auf diese Welse wird das Glas bei einer geringeren Temperatur geschmolzen, und das Schmelzen des Glases beeinträchtigt nicht die gewünschte Verteilung des Goldes in der HaIb- ltlteraohelbe, da bei 7000C keine merkliche Goldbewegung stattfindet .
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt eines Teiles einer Halbleiterscheibe,
Figur 2 eine Draufsicht auf den in Figur 1 dargestellten Teil in einer späteren Herstellungsstufe,
Figur 3 e±ne Draufsicht auf einen Teil der Scheibe in einer noch späteren Herstellungsstufe und
Figur Ί einen Querschnitt eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Triacpellets.
In Figur 1 ist ein Körper alt aus halbleitendem Material gezeigt, der Teil einer Halbleiterscheibe ist, welche eine erste Hauptoberfläche 22 und eine zweite-Hauptoberfläche 23 aufweist und die einen Durchmesser von etwa 2,5 bis etwa 7»5 cm (entsprechend 1-3 Zoll) aufweist, wie dies bei der Halbleiterherstellung üblich ist. Bei einem bevorzugten Herstellungsverfahren wird der Körper 21 zuerst mit einer Verunreinigung dotiert, die in ihm η-Leitfähigkeit erzeugt und dann wird ein Dotierungsmittel, das ρ-Leitfähigkeit verursacht, durch die obere Hauptoberfläche 22 eindiffundiert, um einen p-leitenden Bereich 24 benachbart dieser oberen Hauptoberfläche 22 zu schaffen, und durch die untere Hauptoberfläche 23, um einen p-leitenden Bereich 25 benachbart dieser unteren Hauptoberfläche 23 zu erzeugen.
Die Scheibe wird durch Eindiffundieren einer anderen Verunreinigung in einer vorausgewählten Verteilung in jedes Teilstück effektiv In Teilstücke aufgeteilt. Eine Draufsicht auf einen kleinen Teil der oberen Hauptoberfläche 22 mit zwei Teilstücken und dem Diffusionsmuster darauf ist in Figur 2 gezeigt. In jedem Teilstück sind ein großer Emitter 26 mit n+-Leitfähigkeit und ein übergangsbereich-Steueremitter 27 mit η -Leitfähigkeit und ein Kon-
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trollberelch 28 ebenfalls mit n+-Leitfähigkeit eindiffundiert.' Zusätzlich ist ein zweiter Emitterbereich 29 mit n+-Leitfähigkeit in den unteren Bereich 25 mit p-Leitfähigkeit eindiffundiert. Einer der zweiten Emitterbereiche 29 mit η -Leitfähigkeit ist mit gestrichelten Linien in Figur 2 gezeigt, so daß seine Nebeneinanderstellung erkennbar ist. Der Übersichtlichkeit halber ist nur ein Bereich 29 gezeigt. Wie deutlicher in Figur 4 ersichtlich, sind die η -Bereiche 26* 27, 28 und 29 nur etwa halb durch
24
den oberen p-Bereich/und den unteren p-Bereich 25 diffundiert. Auf diese Weise kann jeder Teil der Scheibe ein Triacpellet 31 bilden. Weitere Informationen hinsichtlich der Diffusion von Triacpellets bis zu dieser Herstellungstufe können der oben genannten US-PS entnommen werden.
Wie in Figur 3 ersichtlich, umfaßt jedes Teilstück oder Pellet wie dies bei Triaca üblich ist, einen ersten leitenden Bereich 32, der sich im wesentlichen über den gleichen Bereich erstreckt, wie der erste Emitterbereich 26 mit η -Leitfähigkeit und das Pellet hat weiter einen zweiten leitenden Bereich 33> der sich über den größten Teil des zweiten Emitterbereiches 29 mit η -Leitfähigkeit erstreckt. Ein Steuerbereich 3^ ist benachbart dem Übergangsbereich-Steueremitter 27 mit η -Leitfähigkeit vorhanden. Wird ein Triac für selektives Durchlassen von Wechselstrom eingesetzt, dann leitet der erste leitende Bereich 32 während einer Hälfte des Wechselstromcyclus und der zweite leitende Bereich
unerwünscnte
leitet während des folgenden Halbcyclus. Das oben erwähnte/"überfließen" ist die Trägerbewegung über die Grenzfläche zwischen den Bereichen 32 und 33.
Um diese Trägerbewegung zu verhindern, wird das folgende Verfahren angewandt. Die erste Hauptoberfläche 22 wird selektiv maskiert unter Freilassung nur der Bereichsgrenzen. Eine geeignete und wirksame Methode zum Maskieren besteht darin, daß man die Scheibe einer Temperatur von mindestens 11000C aussetzt, um eine Oxydschicht auf den Oberflächen aufwachsen zu lassen. Für das Mas-
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kieren ist es lediglich erforderlich, daß das Oxyd auf einer Hauptoberfläche vorhanden ist. Aus im folgenden noch näher zu erläuternden Gründen wird jedoch das Oxyd auf jeder der Hauptoberflächen aufgewachsen. Nach dem Oxydwachstum wird ein im allgemeinen Y-förmiger Bereich des Oxydes entfernt, wie er durch die gestrichelten Linien in"Figur 3 geeeigt ist. Diese Y-förmige öffnung wird natürlich über jeder der verschiedenen Teilstücke in der Platte hergestellt; Die öffnung wird vorzugsweise mit konventionellen Techniken, wie Ätzen erzeugt.
Dann diffundiert man eine HiIfsverunreinigung, welche die Trägerrekombination anregt, durch die öffnungen. Solche Verunreinigungen schließen z. B. Gold und Platin ein. So kann man z.B. Gold auf die erste Hauptoberfläche 22 aufdampfen. Danach setzt man die Scheibe einer Temperatur im Bereich von 800 bis 9000C aus. Das Gold steht nur in den Y-förmigen öffnungen in Kontakt mit dem Halbleitermaterial. Daher diffundiert das Gold nur in den öffnungen in den Kristall, wie in Figur 4 gezeigt. Vorzugsweise werden Temperatur und Zeit der Diffusion so gesteuert, daß das Gold bis in die inneren Schichten diffundiert. Auf diese Weise wird ein Goldatome enthaltender Bereich an den Grenzflächen zwischen den ersten und den zweiten Leitfähigkeitsbereichen und dem Steuerbereich geschaffen, und die Trägerbewegung über diese. Grenzflächen ist verhindert. Der erste und der zweite leitende Bereich bleiben im wesentlichen goldfrei.
Um die Herstellung abzuschließen, muß die Scheibe in Triacpellets aufgeteilt werden. Ein vorteilhafter Weg hierzu ist der folgende: Zuerst werden die Y-förraigen öffnungen mit einer Schutzschicht bei relativ geringer Temperatur bedeckt. Z. B, kann ein Wachs oder ein Lack auf die öffnung aufgebracht werden. Dann werden nach konventionellen Techniken, wie Fotoresisttechniken Bereiche lokalisiert, in die Rillen eingeätzt werden sollen, um die Pellets zu trennen. Die Rillen werden vorzugsweise von beiden Hauptoberflächen aus eingeätzt und von daher ergibt sich, daß es erwünscht ist, die Oxydbeschlchtung auf beiden Hauptoberflächen 22 und 23 aufwachsen zu lassen. Die Rillen werden vor-
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zugsweise tief genug eingeätzt, um alle p-n-übergangsbereiche zu durchschneiden.
Ein Vorteil dieses Verfahrens ist es, daß es die Glaspassivierung der Pellets gestattet. Soll eine solche Glaspassivierung durchgeführt werden, dann sollte das Wachs oder der Lack von den Y-förmigen öffnungen entfernt werden, da diese organischen Substanzen während der Passivierung Dämpfe abgeben können, die eine nachteilige Wirkung auf das weitere Verfahren haben. Nach der Entfernung des Wachses wird Glas in Teilchenform und in einem Träger wie Alkohol suspendiert in die Rillen eingebracht. Der Alkohol wird bei einer geringen Temperatur rasch verdampft und dann setzt man die Scheibe einer Temperatur von etwa 70O0C aus. Bei dieser Temperatur schmilzt das Glas unter Bildung einer Passivierungsschicht 35 in den Rillen. Die während der Passivierung angewendete Temperatur von 7000C ist geringer als die zur Bewegung der Goldatome erforderliche Temperatur. Auf diese Weise wird die vorher erzeugte Goldverteilung nicht gestört.
Nach dem Passivieren mit Glas wird die Scheibe entlang den Rillen unter Bildung von Pellets 31 zerteilt, wie in den Figuren und l» gezeigt. Diese Zerteilung erfolgt nach konventionellen Verfahren.
Es ist durch die vorliegende Erfindung ein Triacpellet geschaffen worden, das eindiffundiertes Gold entlang den Grenzflächen zwischen dem ersten und dem zweiten leitenden Bereich und dem Steuerbereich enthält. Dadurch ist eine Trägerbewegung über diese Grenzflächen verhindert. Darüber hinaus, so wurde gezeigt, ist das Verfahren verträglich mit den Glaspassivierungstechniken.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können viele Modifikationen und Variationen ausgeführt werden. So besteht eine Hauptnotwendigkeit für das Gold in der Grenzfläche zwischen dem ersten
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und dem zweiten leitenden Bereich 32 und 33. Eine Golddiffusion nur entlang dieser Grenze wird daher bereits zu einem wesentlich verbesserten Element führen.
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Claims (16)

  1. Patentansprüche
    IJ Bidirektionales Thyristortrioden-Pellet mit einem Körper aus halbleitendem Material, der zwei Hauptoberflächen aufweist und in den selektiv Verunreinigungen so eindiffundiert sind, daß er einen ersten leitenden Bereich und einen zweiten leitenden Bereich enthält, cLadurch gekennzeichnet, daß er Mittel zur Anregung der Trägerrekombination enthält, die eine Hilfsverunreinigung umfassen, die an der Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten leitenden Bereich in den Körper eindiffundiert ist.
  2. 2. Pellet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsverunreinigung in einen inneren Bereich mit η-Leitfähigkeit eindiffundiert ist.
  3. 3. Pellet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper an der Peripherie eine-Glaspassivierung aufweist.
  4. 4. Pellet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet·, daß er ein thermisch aufgewachsenes Oxyd auf einer der Hauptoberflächen trägt.
  5. 5. Pellet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsverunreinigung Gold 1st.
  6. 6. Pellet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schicht aus thermisch aufgewachsenem Oxyd auf jeder der Hauptoberflächen.
  7. 7. Pellet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Steuerbereich,
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    der mindestens teilweise durch den ersten und durch den zweiten leitenden Bereich begrenzt ist und bei dem.die Hilfsverunreinigung auch in die Grenzen zwischen dem Steuerbereich und dem ersten und dem zweiten leitenden Bereich eindiffündiert ist.
  8. 8. Verfahren zum Herstellen zweiseitiger Thyristorpellets bei dem
    eine Scheibe aus halbleiteridem Material mit zwei Hauptoberfläichen geschaffen wird, in die selektiv Verunreinigungen elmdiffundiert sind, so daß sie eine Vielzahl von Teilstücken bildet, von denen jedes Teilstück einen ersten und einen zweiten leitenden Bereich umfaßt, dadurch gekennzeichnet , daß eine Maske auf eine der beiden Hauptoberflächen aufgebracht wird, durch welche öffnungen ab den Grenzflächen zwischen dem ersten und dem zweiten leitenden Bereich bestimmt werden, und daß eine°Hilfsverunreinigung, die die Trägerrekombination an den Grenzflächen anregtj durch die öffnungen eindiffundiert wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen einer Maske das thermische Aufwachsen einer Oxydschicht auf einer der Hauptoberflächen und das selektive Entfernen von Teilen der Oxydschicht, die über den Grenzflächen liegen, umfaßt.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindiffundieren einer Hilfsverunreinigung das Aufdampfen der Hllfsverunreinigung auf das Halbleitermaterial einschließt.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausbilden durchschneidender Rillen in der Scheibe, das die Teilstücke trennt und die ph-übergangeberelehe in der Scheibe durchschneidet, weiter das Beschichten der Rillen mit Glas umfaßt.
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  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß das Beschichten der Rillen das Einbringen von Glas in Teilchenform in diese Rillen und das Erhitzen zum Schmelzen des Glases umfaßt.
  13. 13· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß das thermische Aufwachsen einer Oxydschicht bei einer Temperatur oberhalb von etwa 110O0C, das Diffundieren der Hilfsverunreinigung bei einer Temperatur von etwa 800 bis 900°C und das Schmelzen des Glases bei einer Temperatur von etwa 700 C ausgeführt wird.
  14. I1I. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Scheibe entlang den Rillen durchschnitten wird, um die Scheibe in Pellets aufzutrennen.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis I1I, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfsverunreinigung Gold ist.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche "8 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Teilstück einen Steuerbereich umfaßt, der mindestens teilweise durch den ersten und den zweiten leitenden Bereich begrenzt ist, und bei dem die Maske Öffnungen an den Grenzflächen zwischen dem Steuerbereich und dem ersten und dem zweiten leitenden Bereich bestimmt.
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